弹性弹体侵彻混凝土靶板的过载特性研究

研究了弹性弹体侵彻半无限混凝土靶板的冲击过载特性,利用泰勒级数将弹体两个侵彻阶段的阻力表示为一个函数并考虑应力波的影响,提出了简化的侵彻方程。对边界条件进行齐次化,介绍了求解弹体加速度历程的分离变量算法。尖形弹丸垂直侵彻混凝土靶板试验和Sandia实验室的侵彻过载试验数据与计算结果对比,显示两者一致性较好。分析了弹体内不同位置的过载波动特性,为侵彻用火工品和小型装药的过载安定性和可靠性评估提供了理论参考和分析方法。     

基于Hoek-Brown准则的混凝土-岩石类靶侵彻模型

基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法。针对射弹侵彻岩石-混凝土类脆性材料半无限靶问题,基于靶体的弹性-裂纹-粉碎响应模式,粉碎区采用考虑围压的Hoek-Brown准则,得到了准静态球形空腔膨胀的空腔壁压力。在Forrestal两个阶段侵彻模型中,用所得空腔壁压力代替隧道侵彻阶段的侵彻阻力,得到刚性弹侵彻岩石-混凝土类脆性材料半无限靶的侵彻深度预估公式,与文献侵彻试验以及现有典型侵彻深度预估公式比较表明,预估公式适用范围更广,对于(超)高强混凝土和岩石材料靶的预测精度更高。     

有限柱形空腔膨胀理论及其应用

为研究有限平面尺寸金属厚靶侵彻问题,提出了有限柱形空腔膨胀理论.考虑侧面自由边界,将理想弹塑性材料的空腔膨胀过程分为弹塑性阶段和塑性阶段,得到了空腔壁径向压力的解析解.基于Tate磨蚀杆模型,应用有限柱形空腔膨胀理论计算靶的侵彻阻力,建立了长杆弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型.与现有文献试验比较表明,文中工程模型计算的侵彻深度与弹道试验结果吻合较好.     

侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究

为研究着靶姿态对高速侵彻弹装药损伤的影响,依据实际战斗部的结构尺寸设计了小尺寸模型试验弹,在125 mm口径的滑膛炮发射平台上开展了试验弹以不同攻角斜侵彻单层钢靶试验。通过理论计算得到着靶姿态对侵彻过程能量损失的影响。利用CT扫描无损检测技术观测不同着靶姿态下试验弹内部的损伤情况。运用LS-DYNA对试验弹侵彻钢靶过程中装药的力学响应过程进行模拟计算。结果表明:在斜侵彻单层钢靶的过程中,着角一定时,能量损耗与攻角呈指数关系;试验弹的倾角越大,装药尾部受到的应力波拉伸压缩反复作用越明显,装药在侵彻过程中长度变化越大,更易出现深度裂纹、塌边等损伤;壳体外形变化会引起装药受到的压缩应力阻碍微裂纹的扩展和滑移,减少宏观损伤的出现。     

间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究

为了分析板间间隙大小对双层板失效模式以及抗侵彻性能的影响,本文利用轻气炮进行了卵形杆弹正撞击单层板和等厚双层板的实验研究,得到了各种结构靶体的初始-剩余速度曲线和弹道极限速度。实验表明,对于卵形弹,单层板的弹道极限高于双层板的弹道极限,包括接触式和间隙式。当总厚度一定时,多层板的弹道极限随分层数目的增加而减小。此外,间隙大小对间隙式双层板的抗侵彻性能影响小,并且随着弹体初始速度的增加而减小。     

弹靶作用过程中侵彻弹测试技术研究

通过应用弹载存储测试技术,进行了钢质空心弹在侵彻过程中弹体动态参量测试研究,首次实现了在复杂结构弹体上采集变形量的动态测试,获得了侵彻弹侵彻混凝土、金属靶板瞬态应变-时间曲线及响应的加速度一时间曲线.一方面,测试结果真实反映了侵彻过程中复杂的应力状态及变形和断裂特征;另一方面,所应用的弹上存储测试系统,经可靠灌封后可经受10万g以上的过载,为武器研制研究提供了一种较佳的测量方法.     

弹载加速度记录仪在冲击环境下的失效研究

在弹体侵彻过程中,首先分析高g值冲击对弹载加速度记录仪的影响,得出应力波作用下加载到弹体内记录仪的加速度值,并研究了加速度记录仪壳体、缓冲材料及电路板的动态结构响应,进而提出可能出现的失效模式：壳体结构的失效、缓冲材料缓冲性能的不足、芯片与PCB板相对运动导致芯片的裂纹。针对各失效模式,利用ANSYS/LS-DYNA对记录仪各防护单元进行了数值模拟仿真,得出各防护单元失效的临界冲击加速度值: 电路板失效的临界冲击加速度为1.93×104g,当加载冲击加速度为1.63×105g时,壳体发生屈曲;增大冲击加速度至5.63×106g时,缓冲材料失效。经过实弹侵彻试验,得出记录仪在1.5×105g的冲击加速度下失效。该实验结果对后续弹体实际侵彻弹载记录仪的设计及优化提供数据支撑。     

空心弹侵彻混凝土过载特性的实验研究

通过应用弹载存储测试技术,进行了钢质空心弹在侵彻过程中弹体动态参量测试研究.测试了侵彻混凝土过程中空心弹的过载情况,真实反映了侵彻过程中复杂的断裂特征,获得了侵彻弹侵彻混凝土瞬态加速度-时间曲线以及频谱曲线.通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成三个部分,每个部分代表空心弹与混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段空心弹与混凝土相互作用的特点,为理论模型的建立打下了基础.     

刚性尖头弹侵彻圆柱形金属厚靶分析模型

考虑金属厚靶侧面自由边界的影响,研究了刚性尖头弹侵彻有限平面尺寸金属厚靶问题。基于有限柱形空腔膨胀理论和线性硬化材料模型,得到了空腔壁径向压力的解析式,建立了刚性尖头弹侵彻有限直径圆柱形金属厚靶工程模型。与试验和数值模拟比较表明,该文工程模型计算精度很好。基于所建立的工程模型,研究了靶板半径对侵彻深度和侵彻阻力的影响,结果表明:当靶板与弹丸半径比值小于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度有显著影响,不能按无限尺寸靶板计算;当靶板与弹丸半径比值大于20时,靶板半径对侵彻阻力和侵彻深度影响较小,可近似按无限尺寸靶计算。     

基于加速度测试及模糊模型的弹丸侵彻混凝土深度实时预测方法

为了对卵形弹垂直侵彻半无限厚混凝土目标的侵深进行实时预测,提出了一种基于实测加速度值及模糊模型的计算方法。该方法根据瞬时速度的不同将侵彻过程分成了高速侵彻、中速侵彻和低速侵彻三个阶段,并分别采用不同的模型对每个阶段的减加速度、速度和侵彻深度进行了描述。通过判断减加速度的计算误差,自动确定了高速侵彻阶段与中速侵彻阶段以及中速侵彻阶段与低速侵彻阶段的截点速度。同时,利用实测的全弹道加速度曲线,实时计算了侵彻过程的初始冲击速度。将实验后所测得的侵彻深度与模型预测的侵彻深度进行比较,结果表明该预测方法可以对侵彻深度进行准确地实时计算。     

装药壳体对含铝炸药水下爆炸性能影响研究

针对某含铝炸药,分别在6 mm钢壳、硬铝壳、PVC壳及裸药柱形装药条件下进行水下爆炸实验,测量3 m,5 m,7 m处冲击波压力时程曲线,获得不同装药条件下冲击波的峰值、冲量、能量及气泡脉动周期和气泡能等参数。利用AUTODYN-2D程序,对带壳装药含铝炸药水下爆炸过程进行数值模拟,通过与实验测量结果对比,验证数值仿真方法和结果的准确性。在此基础上,结合量纲分析与数值模拟方法研究填装比对冲击波波形、压力峰值及气泡脉动周期的影响规律。研究表明：填装较小时,冲击波压力峰值与冲击波能均增大;填装较大时,压力峰值与冲击波能均减小;气泡脉动周期随填装比的增加而减小;在钢壳装药下,最优填装比为1.45。有限元模型与计算结论可为水中兵器设计提供一定参考。     

混凝土中瞬时爆炸波测试技术及分离的实验研究

为稳定测量混凝土中炮孔周围的爆炸波,对应变片和超动态应变测试系统的频响及最优匹配开展了系统研究,得到了应变片相对误差δ与其允许最高频率fmax之间的关系,测试系统的阶跃信号响应上升时间为0.3μs。基于一维应力波原理,提出了用SHPB技术中透射杆上的应力动态标定试件上输出电压的新方法,得到了爆炸冲击波作用下测试系统的频响和时频分布。针对爆炸波微信号传输中的易受干扰问题,采用了电磁屏蔽等抗干扰技术。用该系统对混凝土模型开展了不耦合装药爆炸波测试,成功测得了23μs内在爆炸近中区激起的爆炸波。通过Rihaczek分布,将爆炸波分离为[(2.3～4.5μs),(0～829 kHz)]的爆炸冲击波区、[(4.5～7.2μs),(0～743 kHz)]的应力波区及[(7.2～24.7μs),(0～514 kHz)]的爆生气体膨胀作用区,并就分离各区作用过程做了分析。     

竖向地震作用下桥梁结构的瞬态波响应分析

竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题,考虑波动效应,应用瞬态波特征函数法求解了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析,描述了桥墩中轴向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表明,不同的竖向地震动与水平地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为：（1）接触力的变化幅度增大,出现更大的接触力,加剧支座的损坏可能性;（2）出现了更低的接触力,甚至零接触力,大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性;（3）使原本整体处于受压状态的桥墩中出现了拉应力,拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度,并使桥墩出现了拉-压交变应力,使得桥墩底部处于恶劣的应力状态;（4）桥跨中部向上的最大动挠度超过了两端,也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。     

Numerical Simulation of Blasting Effect with Divided Charge Structure

This paper numerically simulates the stress development and generates a three-dimensional model of the medium-deep hole blasting in infinite rock mass for continuous charge and divided charge in blasting by using the large-scale nonlinear dynamic analysis software LS-DYNA and the elastic-plastic model *MAT_PLASTIC_KINEMATIC and JWO-EOS. The difference of the decreasing rate in Von Mises effective stress of blasting, element effective stress peak in free face, the bore wall stress and acceleration are investigated. It is shown that divided charge could greatly improve the blasting effect by engineering blasting practice.     

分段装药结构爆破效果的数值模拟研究

基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,选用弹塑性模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC和JWL方程,建立无限岩体介质中中深孔爆破时连续装药结构和分段装药结构三维模型,并进行了数值模拟,再现了两种装药结构爆破过程中的应力发展过程,对比分析了它们在Von Mises有效应力分布、自由面有效应力峰值、孔壁压力分布及加速度等衰减上的差异。结合工程现场爆破实践验证了分段装药结构可以明显改善爆破效果。     

行波效应对大型水电站厂房地震响应的影响

为研究行波效应对平面尺寸较大的水电站厂房结构地震响应的影响,选取某实际厂房结构,建立三维有限元模型,借助ABAQUS有限元软件,采用振型分解时程分析法进行结构动力计算。调整Koyna水平地震波加速度峰值为0.246g作为地震荷载。结果表明行波效应影响厂房结构位移响应主要体现在动位移峰值上,波速不大时可能使动位移峰值最大减小25%;对加速度响应峰值和响应时程影响都较明显,波速较小时可能使得结构加速度峰值滞后于地震加速度峰值出现;不考虑行波效应对厂房结构设计是偏安全的。如工程所在地地震波传播速度不大,可以适当考虑行波效应,以使结构设计更趋科学合理。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

EXO3晶振与KSS晶振在高过载下的失效特性分析

为了研究芯片抗高过载能力,本实验选取两种典型晶振芯片:EXO3、KSS,利用Hopkinson杆对其进行高g值冲击,以一维应力波理论估计芯片受到的加速度,并用运力学模型对其内部结构进行分析。结果表明:晶振的内部结构直接影响它的抗冲击性能;与应力波传播方向平行放置的晶振抗冲击性能要高于与应力波传播方向垂直的晶振。     

面板堆石坝震动响应及变形规律的试验研究

采用Parkfield波作为地震动输入,在清华大学50g-t土工离心机振动台上中进行了一组面板堆石坝动力离心模型试验。试验在50倍重力加速度条件下完成,采用加速度传感器测量了模型不同位置动力响应的加速度时程并且采用应变片测量了面板的应力-应变,通过改变地震波输入的幅值和是否蓄水分析研究了面板堆石坝的震动响应及变形规律。结果表明面板坝自下而上存在地震响应放大现象,靠近上下游坝坡位置的加速度响应要大于同高程处坝轴线附近的加速度响应;地震作用下面板产生较明显的压应力,最值发生在面板中上部;面板中部出现较明显的弯矩;改变输入地震波的幅值大小对坝体加速度响应的分布规律、坝体位移变化的分布规律以及面板应力变形的分布规律没有影响,但地震波输入幅值的增加会减弱地震波的加速度放大效应;竣工期的地震加速度响应比蓄水期的要大,说明蓄水可以削弱地震波对坝体的加速度响应,但蓄水会导致坝体和面板的变形增加。